國(guó)外火力發(fā)電廠DCS和PLC控制系統(tǒng)一體化技術(shù)應(yīng)用研究

張如意+陳向東

摘 要：隨著國(guó)家“走出去”戰(zhàn)略的實(shí)施和全球經(jīng)濟(jì)一體化的不斷推進(jìn)，我國(guó)火力發(fā)電項(xiàng)目EPC工程也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。作為電廠控制系統(tǒng)的兩大流派，DCS和PLC一直是電廠控制的核心技術(shù)。這兩類控制系統(tǒng)的有效融合和一體化發(fā)展成為國(guó)外電廠控制系統(tǒng)的一個(gè)重要方向。基于國(guó)外某電廠的控制系統(tǒng)一體化實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究，并將一體化成果應(yīng)用于該電廠，以期取得良好的運(yùn)行效果。

關(guān)鍵詞：火力發(fā)電廠；以太網(wǎng)；DCS；PLC

中圖分類號(hào)：TM76；TP273+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.10.005

日前，我部參與了一個(gè)越南600 MW火力發(fā)電廠EPC項(xiàng)目，業(yè)主為越南電力公司EVN，招標(biāo)文件技術(shù)部分十分詳細(xì)，對(duì)全廠的控制系統(tǒng)主要有以下要求：①全廠主輔機(jī)采用DCS控制，其中，雜項(xiàng)控制系統(tǒng)，比如廢水處理系統(tǒng)、輸煤系統(tǒng)、化水系統(tǒng)、氣力除灰系統(tǒng)、凝結(jié)水精處理系統(tǒng)、脫硝氨儲(chǔ)備系統(tǒng)、制氯系統(tǒng)、制氫系統(tǒng)、電除塵系統(tǒng)、除灰系統(tǒng)采用PLC或DCS控制；②無(wú)論采用何種控制模式，要全廠統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)；③無(wú)論在何種控制模式下，都要求全廠統(tǒng)一對(duì)時(shí)；④全廠的監(jiān)控操作在集控室的DCS操作員站進(jìn)行。

1 控制系統(tǒng)介紹

火電廠的控制方案一般包括全廠DCS和DCS加PLC兩種。

全廠DCS方案是最近幾年新興的技術(shù)方案。該方案的應(yīng)用有效減少了全廠的控制系統(tǒng)種類，統(tǒng)一了全廠的控制平臺(tái)，完全做到了全廠一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)、全廠畫面統(tǒng)一、控制邏輯算法統(tǒng)一，并且業(yè)主運(yùn)行維護(hù)也比較方便。全廠DCS采購(gòu)的卡件較多，便于使DCS廠家降低價(jià)格，得到更好的DCS合同價(jià)。但是，這種方案在全廠調(diào)試階段會(huì)出現(xiàn)較多問(wèn)題。比如，水系統(tǒng)、上煤系統(tǒng)、灰渣系統(tǒng)的控制都要在DCS中實(shí)現(xiàn)，各廠家提供完整的邏輯圖供DCS廠家組態(tài)。但是，當(dāng)前國(guó)內(nèi)的設(shè)備廠家提供這些資料比較困難，往往需要各設(shè)備廠家到現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)才能解決問(wèn)題。這種方案主要簡(jiǎn)化了業(yè)主的后期維護(hù)，減少了業(yè)主的備品備件。

DCS加PLC方案是一種傳統(tǒng)的方案。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是PLC由各自的水煤灰設(shè)備廠家隨設(shè)備成套供應(yīng)，由于各設(shè)備廠家對(duì)自己的控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)，各個(gè)設(shè)備廠家的控制專業(yè)人員對(duì)自己的設(shè)備運(yùn)行更加熟悉，不依賴調(diào)試所也可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的邏輯編制和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。在后期，特別是發(fā)電前期可以更好地控制工期。對(duì)于工期敏感技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)謹(jǐn)慎的海外EPC項(xiàng)目，這種成熟的方案顯得更為穩(wěn)妥，為眾多海外EPC總承包商所采用。

通過(guò)對(duì)比分析，我們了解到業(yè)主想要尋求一種全廠統(tǒng)一的控制。如果選擇DCS加PLC方案，就需要DCS和PLC能實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，所涉及的技術(shù)問(wèn)題主要有DCS和PLC的通信規(guī)約要互相兼容，DCS和PLC的系統(tǒng)對(duì)時(shí)要統(tǒng)一，DCS和PLC的數(shù)據(jù)庫(kù)要統(tǒng)一。

2 方案設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)前期調(diào)研，我們決定采用Emerson OvationDCS系統(tǒng)和Rockwall AB ControlLogix PLC系統(tǒng)，以滿足以上技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)業(yè)主所要求的功能。目前，常用的基于以太網(wǎng)的DCS和PLC的通用通信協(xié)議主要有以下兩種：①OPC方案。這種接口協(xié)議開(kāi)放，市面上的PLC和DCS基本都支持這個(gè)協(xié)議。當(dāng)數(shù)據(jù)量較少時(shí)，該方案比較適用。但是這個(gè)項(xiàng)目雜項(xiàng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量加起來(lái)預(yù)估超過(guò)5 000點(diǎn)，DCS廠家反饋這個(gè)數(shù)據(jù)量過(guò)大，容易引起OPC服務(wù)器崩潰，特別是OPC服務(wù)器系統(tǒng)啟動(dòng)加載時(shí)，啟動(dòng)時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)，甚至幾分鐘、十幾分鐘都無(wú)法啟動(dòng)，這是業(yè)主很難接受的。②Modbus TCP 方案。Rockwall AB ControlLogix PLC系列不支持這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，需要加額外的第三方卡件來(lái)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。由于是冗余的接口，因此會(huì)增加成本和調(diào)試維護(hù)工作量。

使用以上兩種協(xié)議的原因是DCS側(cè)不兼容PLC通信協(xié)議，而不得不依托于第三方的通信協(xié)議。這就需要DCS側(cè)和PLC側(cè)都進(jìn)行通信規(guī)約轉(zhuǎn)換，進(jìn)而降低了通信效率，增加了成本和調(diào)試工作量。我們?cè)谶M(jìn)一步了解Ovation和AB Controllogix硬件、軟件的基礎(chǔ)上，提出了一種Ovation DCS和AB ControlLogix PLC完全融合方案。Ovation DCS 和AB ControlLogix PLC 都遵循以太網(wǎng)協(xié)議，我們考慮將二者融合到一起。通過(guò)查閱Emerson的標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)，發(fā)現(xiàn)Emerson DCS 集成了AB PLC的通信協(xié)議接口。無(wú)論是一個(gè)ENRT模塊通信，還是兩個(gè)ENRT模塊的冗余通信，可以直接將ENBT模塊連接到OVATION交換機(jī)的IP端口。冗余通信時(shí)跟上述描述一樣，也要考慮控制器的切換問(wèn)題。為了避免PLC系統(tǒng)的接入對(duì)DCS系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊，在Ovation專家的建議下，我們?cè)赑LC系統(tǒng)的交換機(jī)和DCS的交換機(jī)之間設(shè)置了一層DMZ路由器對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行隔離，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力。

3 技術(shù)實(shí)施

DCS側(cè)工程師站配置如下。

進(jìn)入DROPn/configuration/controller/devices/device numbers，點(diǎn)擊右鍵添加Device2，類型為ALLEN BRADLEY； 進(jìn)入DROPn/configuration/controller/controller networking，點(diǎn)擊右鍵添加，修改控制子網(wǎng)掩碼為：255.255.254.0。DCS子網(wǎng)掩碼設(shè)置如圖1所示。

Ovation3.1以上版本默認(rèn)將TELNET的功能關(guān)閉，進(jìn)入DROPn/configuration/controller/services，點(diǎn)擊右鍵插入新的service并Enable，以方便測(cè)試。圖2所示為使能DCS通信服務(wù)功能。

進(jìn)入DROPn/IO DEVICES/IO Device 0 IOIC，點(diǎn)擊右鍵添加Allen-Bradley PLC，具體如圖3所示。

通信點(diǎn)所在的任務(wù)區(qū)應(yīng)設(shè)置成并行方式。圖4所示為一模擬量點(diǎn)從PLC中得到的數(shù)據(jù)。圖中，“N7：25”中“N”表示PLC中的文件類型是16位的整數(shù)，“7”表示7號(hào)文件。我們可以這樣理解，PLC中組態(tài)了一個(gè)為N7的數(shù)組，從N7：0開(kāi)始依次增加，Ovation的數(shù)據(jù)依次與其對(duì)應(yīng)。通信時(shí)，如果對(duì)方乘以變比10，Ovation側(cè)可以直接在點(diǎn)的轉(zhuǎn)換系數(shù)中選擇線性，轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.1.對(duì)于模擬量數(shù)據(jù)輸出給PLC可以選擇OUTPUT TO PLC。

從PLC中獲取開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)。需要注意的是，我們可以按這種方式 AB PLC5 1 IN N7：21/6讀取數(shù)據(jù)，但不能用這種方式 AB PLC5 1 OUT N7：21/6 將開(kāi)關(guān)量的數(shù)據(jù)寫到PLC中。Ovation寫開(kāi)關(guān)量到PLC時(shí)，可以將開(kāi)關(guān)量打包成打包點(diǎn)，然后按16整數(shù)的形式發(fā)給PLC。

目前，AB PLC的主流組態(tài)工具為RSLogix 5000，需要將里面的點(diǎn)MAP設(shè)置成地址的形式，如圖5所示。

通信時(shí)，對(duì)方建立了兩個(gè)數(shù)組，7號(hào)用于發(fā)送數(shù)據(jù)給Ovation，10號(hào)用于從Ovation中獲取數(shù)據(jù)。圖6所示為7號(hào)數(shù)組DW_DATA數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，圖7所示為10號(hào)數(shù)組RD_DATA數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

通過(guò)以上配置，由于Emerson Ovation DCS系統(tǒng)可以識(shí)別AB ControlLogix PLC的通信規(guī)約，雜項(xiàng)控制系統(tǒng)的PLC和DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)連接，兩個(gè)系統(tǒng)可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，所有數(shù)據(jù)都會(huì)儲(chǔ)存到DCS的歷史數(shù)據(jù)中，同時(shí)滿足了全廠統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)的要求。

Ovation DCS 和AB ControlLogix PLC 都遵循以太網(wǎng)協(xié)議，我們考慮采用NTP 對(duì)時(shí)的方式對(duì)二者對(duì)時(shí)。由于業(yè)主要求全廠統(tǒng)一時(shí)鐘，因此，要利用DCS的NTP 服務(wù)器對(duì)PLC系統(tǒng)對(duì)時(shí)。ControlLogix的處理器從18.0.0版引入了CIP 同步的功能，全面支持PTP1588。PTP1588的典型應(yīng)用領(lǐng)域是測(cè)量和控制系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化、電力系統(tǒng)以及分布式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。PTP1588可以提供亞微秒的時(shí)間精度，所需計(jì)算資源網(wǎng)絡(luò)資源更少。在ControlLogix系統(tǒng)中，時(shí)鐘同步所需的硬件的要求如表1所示。

3.2 使能CIP Sync功能

在本系統(tǒng)使用的硬件中，Controllogix處理器、1756-EN2T以太網(wǎng)模塊和1756-IB16ISOE模塊都有自己的時(shí)鐘，僅需使能模塊的CIP Sync功能就能得到統(tǒng)一的UTC時(shí)間。這種技術(shù)簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在過(guò)去的系統(tǒng)中，要使用專門的網(wǎng)絡(luò)才能建立時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)，而現(xiàn)在使用工業(yè)以太網(wǎng)就可以建立時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)。CIP Sync可以充分利用已有的以太網(wǎng)資源，就不需要對(duì)同步信號(hào)單獨(dú)布線了。

3.3 授時(shí)機(jī)制

在圖8所示的系統(tǒng)中，○GM代表Grandmaster Clock，它是系統(tǒng)最高級(jí)的時(shí)鐘；○S代表從時(shí)鐘，○M代表主時(shí)鐘。最高級(jí)時(shí)鐘（GrandMaster Clock）在一個(gè)域內(nèi)，通過(guò)CIP協(xié)議進(jìn)行時(shí)鐘同步，作為最終時(shí)間源。ControlLogix PLC系統(tǒng)具有最高級(jí)時(shí)鐘的仲裁功能，時(shí)鐘系統(tǒng)可以自愈，一個(gè)時(shí)鐘失效不會(huì)停止傳送或同步，系統(tǒng)通過(guò)最佳時(shí)鐘算法（Best Master Clock Algorithm）找到最佳主時(shí)鐘（Best Master）。

在圖8中，○GM通過(guò)CIP同步的方式在以太網(wǎng)絡(luò)上將3個(gè)EN2T的時(shí)鐘同步，EN2T通過(guò)背板分別將L61和SOE模塊的時(shí)鐘同步?！餑M通過(guò)NTP的方式將安裝了RSLogix 5000 編程軟件的PLC 工程師站同步。這個(gè)方案使控制系統(tǒng)和個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)從同一個(gè)時(shí)鐘源獲取時(shí)間，保證了整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘同步。

3.4 支持CIP同步的硬件系統(tǒng)

ControlLogix控制器具有自身支持CIP同步的功能，可以作為精確時(shí)鐘PTP主站和從站。在控制器之間，不需要編制程序就能共享時(shí)鐘，只要在控制器配置頁(yè)面的選項(xiàng)框中打勾即可。EN2T支持CIP同步。STRATIX 8000本身支持PTP1588，可以設(shè)置邊界時(shí)鐘，也可以設(shè)置透明時(shí)鐘。1756-IB16ISOE固件為2.7版本，提供最新技術(shù)和最佳性價(jià)比的SOE方案、第一失效檢測(cè)系統(tǒng)，支持集成的CIP同步和高精度時(shí)間戳，來(lái)自以太網(wǎng)時(shí)間源的“實(shí)時(shí)”值。SOE方案的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，取消了原來(lái)的同步連接線，降低了成本。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述技術(shù)分析和對(duì)比，我方采用的技術(shù)方案具有成本低、調(diào)試工作少、維護(hù)方便、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，可以滿足業(yè)主的所有技術(shù)要求，得到了業(yè)主的認(rèn)可和批準(zhǔn)，實(shí)際應(yīng)用效果良好。

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〔編輯：劉曉芳〕